Российские учёные создали керамику, устойчивую к нагреву до 2100 °C и радиации
Российские исследователи получили шесть составов высокоэнтропийной керамики, рассчитанной на работу в условиях сильного нагрева и радиации. По данным Уральского федерального университета, экспериментальные образцы выдерживали нагрев до 2100 °C и температурные перепады, а все проверенные составы показали высокую радиационную стойкость. У некоторых после облучения исследователи не обнаружили структурных изменений.
Материал разработала группа УрФУ совместно со специалистами Института химии твёрдого тела УрО РАН и Института электрофизики УрО РАН. Основой стали высокоэнтропийные оксиды — твёрдые растворы, в которых пять или более компонентов формируют общую кристаллическую решётку. Изменяя их соотношение, исследователи могут регулировать тепловые, электрические и механические свойства керамики.
Такой подход позволил получить шесть вариантов материала с разным сочетанием характеристик. В отличие от обычного композита, состоящего из отдельных фаз или включений, высокоэнтропийная керамика формирует единую сложную структуру. Это даёт возможность подбирать состав под конкретную задачу — например, теплозащиту, электрическую изоляцию или работу в среде с повышенным радиационным воздействием.
Одним из материалов для сравнения стал стабилизированный диоксид циркония, который широко применяется в промышленной высокотемпературной керамике. При одинаковых дозах облучения в его структуре происходили изменения, тогда как некоторые экспериментальные составы сохранили исходную структуру. Исследователи также сообщают, что все полученные образцы продемонстрировали высокую радиационную стойкость.
Для техники, работающей при экстремальных температурах, важна не только способность материала переносить сильный нагрев. Керамическое покрытие часто находится непосредственно на металлической детали, поэтому при нагревании два материала должны расширяться достаточно согласованно. Если разница слишком велика, в покрытии возникают напряжения, которые могут привести к появлению трещин и отслаиванию.
У новой керамики коэффициент теплового расширения оказался совместим с характеристиками металлических основ, а теплопроводность — ниже, чем у стабилизированного диоксида циркония. В результате материал может эффективнее ограничивать передачу тепла к защищаемой детали и одновременно лучше переносить циклы нагрева и охлаждения.
Сочетание этих свойств делает материал потенциально интересным сразу для нескольких отраслей. Исследователи рассматривают его для теплозащитных покрытий авиакосмической техники, подложек и изоляторов бортовой электроники, электролитов твёрдооксидных топливных элементов, а также элементов техники, работающей при высоких температурах и радиационном воздействии. Среди возможных применений упоминаются и конструкционные компоненты гиперзвуковых аппаратов.
Однако пока речь идёт об экспериментальных материалах, а не о готовой серийной керамике для авиации или космических аппаратов. Исследователи получили и испытали образцы с различным составом и теперь планируют подбирать наиболее подходящие комбинации свойств под конкретные практические задачи. Следующим этапом должна стать работа с промышленными партнёрами и возможная коммерциализация технологии.
Исследование в журнале Journal of the European Ceramic Society.